锆

锆，原子序数40，原子量91.224。

;1789年德国化学家克拉普罗斯在锆石中发现锆的氧化物，并根据锆石的英文名命名；

1824年瑞典化学家贝采利乌斯首次制的不纯的金属锆；

1925年荷兰科学家阿克尔和德博尔制得有延展性的块状金属锆。

锆在地壳中的含量为0.025%，但分布非常分散。主要矿物有锆石和二氧化锆矿。天然锆有6种稳定同位素：锆90、91、92、94、96，其中锆90含量最大。

锆为银灰色金属，外观似钢，有光泽；熔点1852C，沸点4377C，密度6.49克/厘米³。锆容易吸收氢、氮和氧气；锆对氧的亲和力很强，1000C氧气溶于锆中能使其体积显著增加。

锆在空气中比较稳定；粉末状的锆容易燃烧，细的锆丝可用火柴点燃；高温时能与溶入的氧、氮、氢直接化合。

锆比钛软，是一种坚硬的金属材料，原料为锆英砂，氯氧化锆是锆英砂的初级产品。锆制品不仅广泛运用于民用领域，而且还是新能源、军工和核反应堆必不可少的材料，因此锆产业在我国工业发展中处在鼓励发展的阶段，在政策上是得到大力支持的，发展前景明朗。

地壳中锆的含量比铜、镍、铅和锌的含量都多，其丰度为0．02％。全世界的锆矿储量估计有3200万吨。锆英石、斜锆石是目前锆的主要来源。美国、澳大利亚、比利时、印度和西非的一些国家开发了一些大矿床。有趣的是，人们发观沿海的沙石经常是很好的锆矿。

　　而锆最值得注意的性质之一是抗腐蚀性。在这方面，它甚至超过铌和钛这些抗腐蚀性很强的金属。如果把不锈钢浸在 5％的盐酸中浸泡一年的话，它的厚度要损失2．6毫米；在同样条件下钛的损失约为l毫米；而锆的损失仅为千分之一毫米。锆的抗碱性能更是出类拔萃，在这方面它超过了钽。由于锆有惊人的抗腐蚀性能，它在神经外科这个极其敏感的医学领域中已找到了用武之地。锆合金是良好的手术器械材料。有时在进行脑外科手术中用锆丝进行缝合。

　　钢里只要加进千分之一的锆，硬度和强度就会惊人地捉高。含锆的装甲钢、大炮锻件钢、不锈钢和耐热钢等是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料。

　　锆除了加强钢的强度和硬度外，还能改进钢的机械加工性能，可淬硬性、可焊性和流动性。它还能碎化钢中的硫化物，从而细化钢的晶粒组成。

　　加入锆的钢抗氧化性增强，抗腐蚀性也有显著增加。

　　锆的熔点很高，为1850oC左右。锆钢可以加热到很高的温度而不必担心过热的后果，因此可以用锆钢来加快锻造、热处理及烧结等工艺进程。

　　具有密集的细晶粒组织和高强度的锆钢还兼有良好的流动性，因而能够用它来生产比普通钢更薄的薄壁铸件。例如，在一种钢中加入锆可用来铸造壁厚仅2毫米的实验机器零件，而用不含锆的这种钢铸造同样的零件，壁厚至少得5～6毫米。

　　把锆掺进铜里，导电能力并不减弱而合金的熔点大大提高，强度大大增加，用作高压电线非常合适。如含o．35％锆的铜一镉合金具有高强度和导电性。

　 　在原子反应堆里，铀棒不能直接与水接触。因为热水侵蚀铀棒，铀棒使水沾上放射性，就会危害人体健康。用锆作铀棒的“外衣”——护套，可以满足下面四个方 面的要求：抗蚀能力强，不与核燃料和传热介质(如水)发生作用；有足够的强度、耐热、耐腐蚀；很少吸收中子，保证裂变“链式反应”的进行，容易加工成形。 锆和锆合金主要用在水冷式的原子反应堆中。如果用核动力发电，每一百万千瓦的发电能力，一年就要消耗掉20到25吨金属锆。一艘三万马力的；陔潜艇用锆和 锆合金作核燃料的包套和压力管，锆的使用量达20至30吨。

　 　在200℃的条件下，100克金属锆能够“吸收”817升氢，相当于铁的“吸收”能力的八十多万倍。温度超过900℃锆就可以猛烈“吸收”氮气。锆常在 真空中作为除气剂。人们广泛利用锆粉，把它涂在电真空元件和仪表的阳极，栅极以及其他受热部件的表面上，吸收真空管中的残余气体，制造出真空度极高的各种 电子管和其他真空仪表。

　　致密的锆在空气中很稳定。灰黑色的锆粉的着火点很低，在200℃的条件下能着火燃烧而燃烧速度快，发出强烈明亮的光辉。锆粉可以用作起爆雷管的起爆药，这种雷管甚至在水下也能爆炸。铅粉再加上氧化剂，燃烧起来强光眩日，是制造电光弹和照明弹的好原料。

　　很薄的锆箔在燃烧时比铝箔产生的亮度高50％；而氧气的消耗量完全相同。用锆箔作摄影闪光灯的闪光材料，能提供更快更亮的闪光。粉末状铁与硝酸锆混和，也可作为闪光粉。锆闪光灯使用起来很方便，因为它的体积很小，甚至可以做得象顶针那么小。

　 　二氧化锆的熔点比锆高，达2700℃，是自然界中耐火性能最好的材料之一。它的导热性能差，但导电能力很强，沆蚀能力也很强，即使加热到1900多摄氏 度也不会跟熔融的铝、铁、镍、铂等金属、硅酸盐和酸性炉渣发生作用。因而可以用它来制造熔炼贵金属的坩埚、耐火管、耐热玻璃和耐热搪瓷等。在搪瓷和玻璃中 加入二氧化锆可以使它们增强抵抗酸、碱腐蚀的能力。用二氧化锆衬砌的高温炉，受热后体积不会增大很多，温度变化对它影响很小，炉体不致因热胀冷缩而产生裂 缝，可以大大延长炉子的寿命。用二氧化锆作耐火材料，加进5％的氧化钙作稳定剂，它的耐热温度比氧化铝高500度，绝热能力比添加以前提高三倍。把白色的 二氧化锆掺进陶瓷，能使陶瓷更洁白光亮、更耐热，强度也有所增加，用这种陶瓷制造高温绝缘瓷瓶，绝缘能力很强，膨胀系数很小。

锆在石油化学工业中的应用

锆在主要用于抗腐蚀性能要求高的设备,如用于制造反釜、耐酸耐热泵、热交换器、浸液器、排气叶轮、阀门、搅拌器、喷嘴、热电偶套管、导管和容器衬里和环保设备等。许多生产肥料、树脂、塑料、酸类的化工设备和重要零部件都采用锆。 　　据报道，美国霍伯肯制造了一个12m高的钢制反应塔，直径700mm、壁厚20mm，用1mm厚的锆板包覆。反应塔有两个以螺旋旋管是由直径25mm、壁厚2mm的锆管装备起来的。 　　在聚合物的生产中，锆的应用是代替石墨作热交换器。锆热交换器的成本虽比石墨约高4倍，比钛约高2倍，但它经久耐用足以弥补成本费。同时，在聚合物生产中，用锆筛盘塔代替砖塔，能显著地提高生产效率。 　　针对氨基甲酸酯、二氧化碳和氨的混合物在高温高压下的特别好的耐蚀性，在190℃其腐蚀速率小于0.025mm/a。 　　在尿素合成设备是，用锆合金作高压进料泵壳材料。锆管也用于氨基甲酸酯的再循环热交换器中，并用锆作反应器的内衬，能使反应器在较高温度和压力下操 作，从而使反应进行得更快，增加尿素的合成速率。锆还用于生产酒精设备的筛盘，并在酒精生产中扩大应用到附加酒精塔、冷却蛇形管、离心泵、调节阀主其他辅 助装置。 　　据报道，美国使用了锆制排气器。化工反应过程所产生的HCL通过Zr排气器从炉内排出，经试验，这种排气器使用了两年多还没有损坏的迹象，而铜制排气 器由于喷嘴被腐蚀，寿命很短。我国锆厂在提纯ZrCl4的水环式真空泵中采用锆制叶轮、轴承及泵壳，使泵体寿命提高几倍。 　　我国曾在多种农药设备上进行过工业锆的应用研究，如在农药反应罐中进行了锆的实际应用与挂片试验。农药水解反应的条件为：20%硫酸+甲萘胺；温度 220-250℃；15个大气压（1520kPa)，一个流程时间为7h，在此条件下设备腐蚀严重，1mm厚普通钢板，反应后即腐蚀穿孔。原采用罐内搪 12-14mm厚的铅层为防腐层，则易污染环境，铅的抗腐蚀也较差，一个搪铅反应罐，仅能使用50-60批料即穿孔漏液。 　　锆挂片试验条件为：生产介质20%硫酸+甲萘胺；生产200-250℃；压力14-15个大气（1419-1520kPa)。腐蚀前后气体分析结果见 表5-47，腐蚀试验结果见表5-48。结果表明，随时间增加，锆母材与焊缝区氧含量稍有增加，但增加速度较缓，对锆的力学性能未引起恶化。而氢含量却在 这种介质腐蚀中逐渐下降，可减少脆性，对锆有利，年腐蚀率仅为0.024-0.04mm/a。 表5-47 锆挂片试验气体分析结果 试样状态 腐蚀时间/h 氧含量/% 氢含量/% 锆母材 末 1000 ×10-4 94 ×10-4 加填料锆丝焊缝区 末 1450 ×10-4 44 ×10-4 锆母材 1000 990 ×10-4 51 ×10-4 加填料锆丝焊缝区 1000 990 ×10-4 49 ×10-4 锆母材 2000 1700 ×10-4 （17-25）×10-4 加填料锆丝焊缝区 2000 2000 ×10-4 29 ×10-4 表5-48 锆腐蚀前后力学性能测试结果 试样状态 试验温度/℃ 抗拉强度σb/MPa 塑性/% 未腐蚀的锆母材 室温 675 18.2 300 　 　 未腐蚀加填料的焊缝区 室温 520 105 300 　 　 100h腐蚀后锆母材 室温 655 20.5 300 385 24 1000h腐蚀后加填料焊区 室温 515 8.7 300 235 22 2000h腐蚀后锆母材 室温 558 23.5 300 255 46.1 2000h腐蚀后填料焊区 室温 508 8.7 300 225 22.3 　　试验中西维因反应罐锆内衬筒体部分用厚2.7-3mm锆板卷制，锆封头用厚4mm锆板加热旋制而成。锆罐焊接后的整体尺寸是：直径1200mm，高 （包括封头部分）1750mm。设备投产后，产品产量提高30%，年节约铅40t，延长了设备寿命，改善了生产及环境条件。